Давление

Как вы думаете, можно ли рукой произвести действие, хотя бы в несколько раз большее, чем оказывает тяжелый гусеничный трактор на почву?

Оказывается, всякий человек проделывал это неоднократно, например, вдавливая кнопку в доску. Сила, с которой он при этом действовал, не велика — около 50 Н (а вес гусеничного трактора ДТ-75 М — 65 000 Н). Но все дело в том, что результат действия силы зависит не только от ее модуля, но и от площади, перпендикулярно которой она действует. Площадь острия кнопки 0,1 мм², площадь гусениц трактора 1,4 м². Следовательно, на единицу площади поверхности в первом случае действует сила примерно в 10 000 раз больше; сравните

50 Н/(0,1•10^-6 м²) и 65 000 Н/(1,4 м²)

Величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого, называется давлением. Например, давление трактора на грунт, воды на основание плотины, газа в цилиндре внутреннего сгорания на поршень.

Если силы распределяются по поверхности равномерно, то давление р на любую часть поверхности равно р = F/S, где S — площадь этой части, F — сумма приложенных перпендикулярно к ней сил. При неравномерном распределении сил равенство р = F/S определяет среднее давление на данную площадку S.

В случае равномерного распределения сил давление во всех точках поверхности одинаково, а в случае неравномерного — меняется от точки к точке.

Особую роль понятие давления играет в гидроаэростатике (см. Гидроаэромеханика), это связано с особенностями строения жидкостей и газов. Известно, что газы заполняют весь предоставленный им объем. При этом вследствие теплового движения молекулы газа сталкиваются друг с другом, со стенками сосуда, с поверхностью любого тела, которое находится в газе. Происходит передача импульса, которая и определяет давление газа на стенки сосуда, на поверхность любого тела, находящегося в газе.

Молекулярно-кинетическая теория газов позволяет вычислить давление газа: р = (1/3) m₀nṽ², где m₀ — масса молекулы, n — число молекул в единице объема, ṽ²— средний квадрат скорости движения молекул. Так как средняя кинетическая энергия молекулы газа mṽ²/2, то формулу для вычисления давления можно представить в виде: р = (2/3) nẼ, т. е. давление газа определяется кинетической энергией его частиц. С увеличением температуры возрастает скорость, а следовательно, и кинетическая энергия молекул. Значит, давление газа увеличивается с ростом температуры. Эта закономерность была экспериментально установлена французским физиком Ж. Шарлем в 1787 г. и носит название закона Шарля — давление данной массы газа при постоянном объеме пропорционально абсолютной температуре:

p₁/p₂ = T₁/T₂

Английским ученым Р. Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Э. Ма-риоттом в 1676 г. был экспериментально установлен закон, получивший название закона Бойля — Мариотта, — для данной массы газа при постоянной температуре давление обратно пропорционально объему:

p₁/p₂ = V₂/V₁

Одно из характерных свойств жидкостей и газов — их текучесть. Именно она определяет особенности передачи давления жидкостями и газами: давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа (закон Паскаля).

На жидкости и газы, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести (см. Тяготение). Давление, создаваемое жидкостями и газами вследствие их веса, определяется по формуле р = ρgh, где ρ — плотность, h — высота столба жидкости или газа. В системе СИ давление измеряется в Н/м² — (в честь французского ученого XVII в. Б. Паскаля эта единица называется Паскалем — обозначается Па).

На практике используются также следующие единицы: 1 гПа = 100 Па, 1 кПа = 1000 Па, атм — атмосфера физическая, ат — атмосфера техническая, мм рт. ст. — миллиметр ртутного столба, где сравнивается измеряемое давление с давлением столба ртути, и др.

Приборы для измерения давления: манометры, барометры, вакуумметры, датчики давления, в которых давление жидкости или газа преобразуется в электрический, пневматический или другого вида входной сигнал.